北京师范大学校级重点实验室--数字流域实验室介绍

2005年伊始,伴随着北京师范大学水科学研究院的诞生,数字流域实验室正式成立.经过3年的建设,于2008年向学校科技处提出申请,成立北京师范大学数字流域校级重点实验室.学校科技处十分重视,组织学校相关部门领导和专家进行考察和论证,经过现场考察和答辩,并经过专家组论证和科技处审核,以北京师范大学首批'京师学者'特聘教授徐宗学为主任、鱼京善教授为副主任的数字流域实验室获得学校批准,学校正式立项建设北京师范大学数字流域校级重点实验室实验室现有成员人,其中教授人。

黄河上游水沙调控的关键科学问题与研究重点

为了促进黄河上游水沙问题的系统解决,从流域系统的角度,结合水沙灾害防治和水资源管理的实际需求,认为黄河上游水沙关键过程与调控是保障黄河上游防洪安全、用水安全和黄河长治久安的重要基础科学问题,具体包括:1风-水-重力侵蚀产沙的耦合过程;2沙漠宽谷河道冲淤过程及河床演变机理;3水库群联动调控水沙的理论与方法。研究重点包括:1沙源解析方法与黄河上游泥沙来源;2风-水-重力侵蚀产沙机理与输移过程;3沙漠宽谷河道洪-床-岸作用机理与冲淤效应;4黄河上游水库群调节与河道水沙过程的响应;5黄河上游水沙关键过程调控理论与方法。

长江上游梯级水电开发的水温累积影响及生态效应

梯级大坝建设阻隔了自然河流水温的连续性,导致明显的水温累积效应,产生系列的生态效应。本文通过分析金沙江下游及三峡库区沿程水温的时空变化特征,揭示了建坝前后不同尺度水温的变化特征及累积效应,并分析了水温变化对鱼类产卵的影响。研究结果表明,金沙江下游在溪洛渡和向家坝建成后沿程年均水温差变小,沿程水文站年最大水温呈下降趋势,而年最小水温显著抬升,其中1月和12月最为明显。建坝后年水温变幅缩小且水温分布天数有“聚拢”趋势,水温分布天数由M型转为V型。累积效应指标发现建坝后时间拥挤效应显著,极值水温出现时间滞后,水温推迟达1~2个月,统计了攀枝花段27种和向家坝下游段46种鱼类产卵习性,发现水温变化导致受高度影响的鱼类分别占比48%和44%。本文丰富了梯级大坝建设的水温累积效应及对鱼类产卵的影响研究,对加强管理大型梯级运行引起的温度变化与保障下游生态恢复具有一定的科学意义。

氢氧化钴/生物炭活化过氧乙酸降解水中抗生素

通过对非均相复合催化剂进行合理的电子结构调控,可有效促进界面电荷分离和转移,进而提升催化剂的性能。近年来,以生物炭(BC)基材料活化过氧乙酸[CH3C(O)OOH,PAA]的非均相高级氧化工艺因能产生多种活性氧物种(ROS)而备受关注。采用一种简易的共沉淀法合成了Co(OH)2纳米颗粒修饰的生物炭材料(h-Co/BC),并将其应用于活化PAA降解水中的典型抗生素四环素(TC)。实验结果表明h-Co/BC在pH=7条件下,7 min内可实现对初始浓度为10µmol/L的TC的完全降解去除。自由基猝灭实验和电子顺磁共振(EPR)分析表明,该非均相体系中主要的ROS为烷氧基自由基,包括CH3COO·、CH3COOO·、·OH和1O_(2)。材料表征结合密度泛函理论计算表明,Co(OH)2纳米颗粒成功地负载于生物炭上,Co 3d带中心更靠近费米能级,利于电子的定向迁移,进而被PAA捕获,随后PAA裂解生成ROS。该研究可为非均相PAA高级氧化技术中功能材料的研发提供新的理念。

17α-乙炔雌二醇胁迫下零价铁对硝化污泥中抗性基因的影响

采用硝化污泥序批式反应器去除17α-乙炔雌二醇(EE2),基于宏基因组测序技术考察了零价铁(ZVI)对硝化污泥去除17α-乙炔雌二醇(EE2)过程中抗生素抗性基因(ARGs)的影响,结合菌群结构分析了其潜在影响机制.结果表明,硝化污泥处理EE2过程中ARGs丰度提高了724.42TPM(每百万转录本中来自于某基因的转录本数目),但ZVI削减了此过程中的ARGs丰度增长趋势,EE2及ZVI改变了ARGs亚型的分布,但对ARGs类型及亚型种类无明显影响.EE2使得硝化污泥中属于高风险等级(Q1及Q2)的ARGs丰度增加了555.75TPM及151.08TPM,ZVI降低了硝化污泥中的抗性风险.多重耐药是硝化污泥中丰度占比最大的高风险(Q1和Q2等级)ARGs类型,占比高达49.23%.微生物群落是硝化污泥中ARGs的重要驱动因子,鞘脂单胞菌属(Sphingopyxis)等菌属与多种ARGs显著正相关,可能是多种ARGs的共同潜在宿主.

全氟烷基酸在大型溞体内的竞争富集作用及机制

全氟烷基酸(PFAAs)是一类在水环境中广泛存在的有机污染物,具有潜在的生物累积性和多种生物毒性.为探究长链PFAAs与其短链替代品在浮游动物大型溞体内的竞争富集作用,通过比较典型长链PFAAs存在和不存在两个暴露条件下短链PFAAs在大型溞体内的生物富集,考察PFAAs在大型溞体内的吸收速率常数(ku)、排出速率常数(ke)和稳态生物浓缩系数(BCFss)等指标的变化规律,探讨典型长链PFAAs与其短链替代品的竞争富集作用机制.结果表明,PFAAs在大型溞体内的ku和BCFss值分别与全氟碳原子数、膜−水分配系数和蛋白质结合系数显著正相关,且长链PFAAs对短链PFAAs的生物富集具有明显抑制作用,导致短链PFAAs的BCFss值降低56%~80%.长链与短链PFAAs在蛋白质结合点位的竞争作用可能是短链PFAAs生物富集受到抑制的机制之一.

水库水沙联合调度多目标决策模型

针对水库运用过程中蓄水与排沙之间的矛盾,本文首先建立了水库防洪、发电及航运调度子模型;然后,以水库防洪、发电及航运效益为基本目标,应用多目标决策方法,建立了水沙联合调度多目标决策模型;为减少水沙联合调度计算的工作量和难度,以子模型计算结果为基础,建立水库运行参数与目标之间的函数关系,将各目标有机地联系在一起,据此合理进行水沙联合调度;最后,将该模型应用到三峡水库汛末蓄水的研究中,得到一个兼顾各目标要求的蓄水方案。

风沙流中不同粒径组沙粒的输沙量垂向分布实验研究

在非均匀沙床面上,风沙流中不同粒径组沙粒的输沙量垂向分布,是非均匀风沙运动研究的重点。研究首先通过风洞实验,收集了风洞中垂线垂向输沙量分布沙样,然后对集沙沙样进行了沙粒粒度分析实验,实验分析结果得出了不同粒径组沙粒的输沙量垂向分布规律,基于稳定平衡风沙跃移运动模型和本文实验结果,最后数值模拟研究了不同粒径组沙粒输沙量垂向分布,与沙粒起跳速度和角度之间的关系。本文研究结果得出,在非均匀风沙流中,粗粒径组沙粒垂向输沙量上部符合指数递减分布但近床面区偏离指数分布,呈现为偏大型分布,粗粒径组对应的沙粒起跳速度和角度分布均为指数函数;细粒径组沙粒垂向输沙量在整个高度上均符合指数递减规律,细粒径组沙粒对应的起跳速度分布为指数函数,起跳角度分布为高斯函数。沙粒的平均起跳速度,在0.4u*～2.2u*之间变化,随着气流风速(u*)和沙粒粒径的增加而减小。

风沙流中风速脉动的实验测量

在风洞中测量了四种风速条件下净风与挟沙风的速度脉动,发现沙粒运动削弱了平均流速而增加了脉动流速,并且不改变流速脉动的分布规律.挟沙风的脉动速度不再像净风那样随高度增加而单调减小,而是在床面附近变化不大,接着出现极大值,随后依高度增大又趋于减小;也不像净风那样随平均风速的增大而减小,而是先增大后减小,存在极大值.

长江重庆河段平面二维非恒定水沙数值模拟

本文针对长江重庆河段复杂的水沙运动特点和地形条件 ,考虑悬移质和推移质运动 ,采用有限元方法建立了平面二维非恒定水沙数学模型 ,对重庆河段的水流运动和泥沙冲淤进行了模拟。模型中采用张红武提出的不平衡输沙理论以及引入符合重庆河段水沙特点的悬移质挟沙力公式和推移质输沙率公式 ,对现有三峡库区数学模型进行了改进 ,并利用重庆河段正态模型试验和原型观测资料对模型进行了验证。结果表明 ,模型计算的沿程水位、断面流速分布和河床冲淤变化与资料符合较好。

江湖洪水不同遭遇对城陵矶水位影响的实验研究

城陵矶位于长江干流和洞庭湖出流汇合处,因此影响城陵矶洪水位的因素除了河床淤积、洪水特性等以外,洞庭湖出流与长江干流的不同遭遇也起着非常重要的作用。采用模型实验的方法,研究了不同遭遇、不同流量、不同螺山水位下城陵矶河段水位的变化。结果表明:在城陵矶断面,当监利来水流量超过洞庭湖出流时,主流靠左岸;当监利来水流量少于洞庭湖出流时,主流靠右岸。洞庭湖出流与长江干流来水流量的不同遭遇对城陵矶断面水位的影响非常显著。当监利来水流量占螺山流量的百分比为55%左右时,城陵矶断面水位最高,即此时长江干流来水流量和洞庭湖出流相互之间顶托消耗能量达到最大值。在中水流量下,当监利来水流量占螺山流量的百分比为55%左右时,城陵矶断面左右岸水位差达到最小值。

黄河宁蒙河段水沙变化特性与成因研究

根据宁蒙河段不同来源的水沙资料,分析了宁蒙河段干流、支流和入黄风积沙量变化,从人类活动影响和自然条件变化两方面研究了水沙变化的机理,以及近期水沙变化的原因。结果表明:各种因素均不同程度地影响了宁蒙河段水沙变化,其中工农业生活引水是干流水量减少的主要影响因素,水库拦沙是干流沙量减少的主要影响因素,2000年以后支流水保措施减沙影响增强,风速减弱是入黄风积沙量减少的主要影响因素;龙羊峡与刘家峡水库联合调度是黄河干流汛期水量比例和大流量过程减少的主要影响因素。

水文科学研究进展的回顾与展望

对水文科学的研究现状、主要进展和发展趋势进行了系统深入的总结和分析,其结果表明,社会需求是水文科学发展的根本动力,技术进步是水文科学发展的源泉。水文科学不仅要研究地表水文过程,还要研究各圈层界面上水分和能量交换过程,不仅要研究水在运动转化过程中的物理过程,还要研究水中各种化学成分的化学过程,特别需要加强水在水文循环和运动中生物过程的研究,从而使水文学向生态水文学的方向迈进。目前,生态水文学、全球气候变化影响是水文学研究的热点领域之一。今后除了进一步继续完善和深化水文科学的理论体系,还要不断丰富水文科学的社会服务功能,为经济建设和社会发展提供科技支撑。

挟沙气流中输沙量垂线分布的实验研究

为了克服传统的垂直集沙方法在近床面区测量精度较低的缺陷 ,本文将垂直集沙方法和水平集沙方法结合 ,在风洞内测量了气流中输沙量沿垂线的分布 ,同时对沙粒沿风洞轴向的水平降落量进行了量测。实验分别针对五种风速条件和两种沙粒级配条件进行。结果表明 :挟沙气流中输沙量沿垂线分布的上段符合传统的指数递减分布规律 ,近床面区的输沙量较对应的指数分布函数预测值偏大 ,偏大的程度随气流摩阻速度和沙粒粒径的增大而减小。采用本文的实验方法可以半定量地揭示近床面区输沙量偏离指数递减分布规律的原因 ,并能够合理地概括以往关于近床面区输沙率测量精度研究的各个方面的论述。

三峡库区非恒定一维水沙数值模拟

该文考虑水沙输移过程中的非恒定性,建立了三峡库区非恒定一维水沙数学模型。模型中采用张红武提出的不平衡输沙理论以及选用符合三峡库区河道水沙特点的悬移质挟沙力公式和推移质输沙率公式,对现有三峡水库泥沙模型进行了改进。采用三级算法求解水流方程组,并选用了分沙比等于分流比的汊点分沙模式,与泥沙连续方程组进行非耦合求解。利用三峡水库蓄水后实测资料对所建模型进行验证,计算结果与实测资料符合良好,表明该模型能够模拟三峡库区干支流河道非恒定的水沙演进过程和河床冲淤变形规律。

风沙流中风速纵向脉动的实验研究

在4种风速条件下对风沙流中风速纵向脉动特性进行了风洞实验研究。研究发现,风速纵向脉动很大,不容忽视;脉动绝对大小随进口风速提高有增强趋势,随着高度的增加则变化不大;垂线脉动强度平均值随主流速度基本成正向线性关系;以脉动强度与当地风速之比表示的相对脉动强度随高度增加而降低,并且不同风速条件下相对脉动强度在床面附近相差较大,远离床面则趋向一致。另外,采用幂函数形式可较好地描述风沙流中平均风速的垂线分布。

长江流域自然生态环境破坏与水沙灾害的关系

由于自然生态环境的破坏,长江流域的水土流失十分严重。人类活动的加剧,造成植被破坏,是产生水土流失的重要原因。水土流失导致了全流域的水沙灾害。水沙灾害同样也会引发许多环境和经济问题,造成新的次生灾害和新的生态环境的破坏,形成恶性循环。水沙灾害的研究和治理已成为长江防洪和生态环境保护中亟待解决的问题。治理的主要措施是远近结合、全流域治理。上游加强水土保持并在干支流修建水库、拦河坝等工程,实现近期减沙,中下游要利用泥沙使其成为宝贵资源,进行洼地沉沙,处理好泥沙淤积的部位问题。

碳酸盐对铜离子在黄土中吸持及形态影响的实验研究

选用黄土和重金属Cu为研究对象 ,通过等温吸持实验和Tessier形态提取实验 ,研究了碳酸盐对铜离子在黄土中吸持及形态的影响 .结果表明 :黄土去除碳酸盐后 ,其吸持铜离子的量大幅度降低 ;碳酸盐结合态、铁锰氧化物结合态和有机质结合态铜含量明显降低 ,而可交换态铜含量显著增加 .

活性炭纤维负载纳米MnO_2氧化甲苯的实验研究

挥发性有机化合物(VOCs)是室内空气中的主要污染物之一,对室内VOCs的净化研究已成为室内环境领域的研究热点.以KMnO4和NH3.H2O为原料合成纳米MnO2,然后通过浸渍、高温焙烧处理将纳米MnO2颗粒负载于PAN基活性炭纤维表面,获得了活性炭纤维/纳米MnO2材料(ACF-MnO2材料).研究结果表明,ACF-MnO2材料在室温下可以将甲苯氧化为CO2,并且对高浓度的甲苯气体具备很强的抗穿透能力.这种新型材料对于室内空气中甲苯的净化具有很好的借鉴意义.

拓宽思路,科学评价水资源量——以渭河流域蓝水绿水资源量评价为例

对蓝水和绿水的内涵进行了梳理,并对其评价方法进行了综合分析,认为水文模型法是同时评价蓝水和绿水资源量时空变化特征的有效方法。在此基础上以渭河流域为例,构建了渭河流域分布式水文模型SWAT,并采用SUFI-2算法进行参数敏感性分析、参数率定、模型验证以及不确定性分析。根据模型输出结果,分别在水文响应单元、控制流域以及城市/地区尺度上对渭河流域近50年来的蓝水资源量、绿水流和绿水储量进行了综合评价,以期为西北干旱缺水地区的水资源规划与管理以及水资源高效利用提供科学依据。